История лазера. Научное издание
Шрифт:
Рйнштейн, который СЃРІРѕРёРјРё гипотезами световых квантов Рё удельной теплоемкости внес определяющий вклад РІ разработку квантовой механики, РЅРёРєРѕРіРґР° РЅРµ принимал ее вероятностную интерпретацию РїСЂРёСЂРѕРґС‹. Р’ конце 1927 Рі. РЅР° пятом Сольвеевском Конгрессе разразилась битва СЃ Бором, Борном Рё Гейзенбергом. РћРЅРё настаивали, что неопределенность является неизбежной, РЅРѕ Рйнштейн РЅРµ желал принять это положение Рё представил серию примеров РІ поддержку своей точки зрения. Однако Бор Рё его единомышленники отвечали РЅР° РІСЃРµ эти возражения. Р’ 1930 Рі. РЅР° шестом Сольвеевском конгрессе, последнем, РІ котором Рйнштейн принимал участие, вспыхнула полемика Рё вслед Р·Р° этим РІ 1935 Рі. Рйнштейн СЃРѕ СЃРІРѕРёРјРё РґРІСѓРјСЏ коллегами РїРѕ Рнституту, Борисом Подольским (18961966) Рё Натаном Розеном (19091995) написал работу РЅР° четырех страницах, РІ которой провозглашалась ложность квантовой теории. Рти принципиальные аргументы, известные сегодня, как парадокс РйнштейнаПодольскогоРозена (РРџР -парадокс), были маленькой Р±РѕРјР±РѕР№. Бор, глубоко взволнованный, немедленно стал диктовать ответ. РћРЅ, однако, понимал, что дело РЅРµ столь просто. РћРЅ начинал СЃ логической линии, затем изменял СЃРІРѕР№ РїРѕРґС…РѕРґ Рё начинал СЃРЅРѕРІР°. РћРЅ РЅРµ РјРѕРі точно определить, РІ чем же была проблема. Р’С‹ понимаете, что РјС‹ хотим сказать? спрашивал РѕРЅ Леона Розенфельда (1904-1974), американского физика-теоретика, который РІ то время был его ассистентом. Ричард Фейнман (19181988), лауреат Нобелевской премии РїРѕ физике 1965 Рі. вместе СЃ Джулианом Швингером (19181994) Р·Р° метод особых расчетов, известный, как диаграммы Фейнмана, сказал РІ 1982 Рі. РїРѕ РїРѕРІРѕРґСѓ РРџР -парадокса: РљРѕРіРґР° СЏ РЅРµ РјРѕРіСѓ охарактеризовать истинную проблему, тогда СЏ считаю, что никакой истинной проблемы РЅРµ существует. Р’ настоящее время обсуждения этого парадокса проливает свет РЅР° определенные особенности квантово-механической интерпретации РїСЂРёСЂРѕРґС‹, которые РЅРµ были достаточно оценены РІ прошлом Рё которые были изучены благодаря использованию лазерного света, получив несомненные подтверждения результатов, следующих РёР· квантовой механики.
Р’ 1936 Рі. Рйнштейн вынужден был заменить своего любимца Р’. Майера. Оказалось, что РѕРЅ, как только прибыл РІ Рнститут, РЅРµ постеснялся дистанцироваться РѕС‚ своего шефа. РС… сотрудничество выражалось лишь РІ РѕРґРЅРѕР№ работе, опубликованной РІ 1934 Рі., после которой интересы Майера обратились Рє чистой математике. Таким образом, Рйнштейн РІ 19361937 РіРі. РІР·СЏР» РґРІСѓС… новых ассистентов: Петера Бергмана (1915-2002) Рё Леопольда Рнфельда (1893-1968). РћРЅ хотел, чтобы РѕРЅРё продолжали работать СЃ РЅРёРј Рё далее, РЅРѕ возникли административные трудности. Р’ конце концов должность Бергмана была утверждена, Р° Рнфельда нет. Рйнштейн смирился СЃ этим, Р° Рнфельд РІ течение лета 1937 Рі писал РєРЅРёРіСѓ. РљРѕРіРґР° эта РєРЅРёРіР°, Рволюция физики, вышла РІ 1938 Рі., РѕРЅР° принесла авторам больше чем те шестьсот долларов, которые Рйнштейн РїСЂРѕСЃРёР» для Рнфельда РѕС‚ Рнститута.
Совместная работа СЃ Натаном Розеном 1937 Рі. содержала решение его уравнений поля, которые описывали гравитационные волны. Знаменитая работа РІ соавторстве СЃ Р‘. Хофманом (19061986) Рё Р›. Рнфельдом была посвящена выводу уравнения движения частиц РёР· уравнений гравитационного поля. Даже после своей отставки РІ 1945 Рі. Рйнштейн продолжал работать вплоть РґРѕ самой смерти. РћРЅ умер РІ возрасте 76 лет 18 апреля 1955 Рі.
Важной характеристикой отношения Рйнштейна Рє фундаментальным проблемам физики было то, что РѕРЅ задавался вопросами лишь РІ отношении обоснованности тех концепций Рё соотношений, которые рассматривались как истинные. Р’ этом отношении РѕРЅ был философом. Согласно его воззрениям, концепции являются свободными изобретениями Рё аксиомами Рё фундаментальные законы теории предположительны. РС… нельзя вывести индуктивно РёР· эксперимента или наблюдений. РЎ РґСЂСѓРіРѕР№ стороны, теория должна делать возможным выводы Рё предсказания, которые можно проверить экспериментом, Рё это определяет ее ценность. Ртак, наука требует трех РІРёРґРѕРІ человеческой активности: человеческой изобретательности, логико-математической дедукции, Р° также наблюдений Рё эксперимента. Согласно Рйнштейну, процесс создания развивается РЅРµ только опытом Рё предварительно существующими теориями, РЅРѕ также чувством структурной простоты Рё математической красоты.
ГЛАВА 6
РЙНШТЕЙН РСВЕТ, ФОТОРЛЕКТРРЧЕСКРР™ РФФЕКТ РВЫНУЖДЕННОЕ РРЎРџРЈРЎРљРђРќРР•
Р’ РёСЋРЅРµ 1905 Рі., РєРѕРіРґР° Рйнштейн опубликовал РІ С‚. 17 Annalen der Physik СЃРІРѕСЋ революционную работу Uber einen die Erzeugung und Verwandlung des lichtes betreffenden heuristischen Gesichtpunkt (РѕР± эвристической точке зрения, касающейся возникновения Рё преобразования света), РІСЃРµ были убеждены, что свет состоит РёР· электромагнитных волн. Рйнштейн, однако, РІ этом усомнился, Рё выявил двойственную РїСЂРёСЂРѕРґСѓ света: одновременно РїРѕРґРѕР±РЅСѓСЋ Рё частице, Рё РїРѕРґРѕР±РЅСѓСЋ волне. Хотя РѕРЅ был довольно критичен Рє теории Планка, РѕРЅ показал, какие фундаментальные следствия можно извлечь РёР· нее, Рё тем самым вызвал РєСЂРёР·РёСЃ классической физики. Р’ то время Рйнштейну было 26 лет. Его работа появилась РІ том же томе журнала, РІ котором РѕРЅ уже опубликовал РґРІРµ РґСЂСѓРіРёРµ фундаментальные работы: РѕРґРЅСѓ работу РїРѕ статистике, относящуюся Рє Р±СЂРѕСѓРЅРѕРІСЃРєРѕРјСѓ движению, которая позволяла прояснить старый СЃРїРѕСЂ Рѕ физическом существовании молекул, Рё РґСЂСѓРіСѓСЋ работу, РІ которой РѕРЅ представил специальную теорию относительности. Р’СЃРµ три статьи сделали этот том журнала Annalen der Physik РѕРґРЅРёРј РёР· самых выдающихся РІРѕ всей научной литературе.
Фотоэлектрический эффект
Рту работу РІ настоящее время рассматривают как работу Рйнштейна РїРѕ фотоэлектрическому эффекту. Однако РѕРЅР° имеет гораздо большую значимость. Р’ ней Рйнштейн установил РёР· общих принципов статистической термодинамики, что энтропия излучения, описываемая законом распределения Р’РёРЅР°, имеет такую же форму, как Рё энтропия газа элементарных частиц. Рйнштейн использовал этот аргумент для заключения, СЃ эвристической точки зрения, что свет состоит РёР· квантов, каждый РёР· которых содержит энергию, которая дается произведением постоянной Планка РЅР° частоту света. РћРЅ применил это заключение для объяснения некоторых явлений, среди которых был Рё фотоэлектрический эффект. РћРЅ писал:
Волновая теория, работая с непрерывными функциями, оказывается корректной для представления чисто оптических явлений и вряд ли будет заменена какой-либо другой теорией. Однако, следует иметь в виду, что оптические наблюдения относятся к усредненным по времени значениям, а не к мгновенным значениям. Возможно, что, несмотря на полное экспериментальное подтверждение теории дифракции, отражения, дисперсии и др., теория света, основанная на непрерывных функциях, может привести к противоречиям, если мы применим ее к явлениям получения и преобразования света. В самом деле, мне кажется, что наблюдения в области черного тела, фотолюминесценции, генерации катодных лучей ультрафиолетовым излучением и другие группы явлений, связанных с генерацией и преобразованием света, могут быть лучше поняты на основе предположения, что энергия в свете распределена в пространстве не непрерывно. Согласно представляемому теперь же предположению, энергия в пучке света, испускаемого точечным источником, не распределяется непрерывно на все больший и больший объем в пространстве, но заключена в конечном числе квантов энергии, локализованных в точках пространства, которые распространяются, без какого-то бы ни было дробления, и испускаются и поглощаются лишь как целое.
Рйнштейн использовал слова кванты энергии. Термин фотон был введен значительно позже, РІ 1926 Рі., американским С…РёРјРёРєРѕРј Р“. Рќ. Льюисом (18751946), РѕРґРЅРёРј РёР· отцов современной теории химической валентности.
Получение катодных лучей (С‚.Рµ. отрицательно заряженных частиц, определенных как электроны) СЃ помощью ультрафиолетового света было фотоэлектрическим эффектом, который был открыт РІ то время. РСЂРѕРЅРёСЏ заключалась РІ том, что это явление было описано РІ 1887 Рі. Генрихом Герцем РІРѕ время его блестящего подтверждения электромагнитной (волновой) теории света, полученного СЃ помощью его открытия электромагнитных волн. Р’ следующем РіРѕРґСѓ это явление было исследовано Вильгельмом Гальваксом (1862 1947), который, РІ частности, показал, что определенные металлические поверхности теряют некоторый электрический заряд, становясь положительно заряженными, РїСЂРё облучении этих поверхностей ультрафиолетовым светом. Позднее независимо РґСЂСѓРі РѕС‚ РґСЂСѓРіР° Дж. Дж. РўРѕРјСЃРѕРЅ Рё Филипп Ленард (1862 1947) показали, что этот эффект получается РІ результате испускания отрицательно заряженных частиц, электронов, металлической поверхностью. Поскольку первоначально металл РЅРµ имеет избыток какого-РЅРёР±СѓРґСЊ заряда, то если испускаются отрицательные заряды, РЅР° металле должен оставаться положительный заряд, который компенсировался отрицательным зарядом. Ленард продолжил исследования этого явления Рё РІ 1902 Рі. представил детальные результаты РІ пространной статье, опубликованной РІ Annalen der Physik. Р’ этой статье РѕРЅ сообщил Рѕ РґРІСѓС… важных фактах. Первый факт заключался РІ том, что электроны СЃ поверхности определенного металла эффективно получаются лишь РїСЂРё использовании света определенной частоты. Второй факт был связан СЃРѕ скоростью (кинетической энергией) испускаемых электронов, которая РЅРµ зависела РѕС‚ интенсивности облучаемого излучения.
Рйнштейн РІ своей работе дал объяснение фотоэлектрического эффекта, как пример применения его теории световых квантов. Согласно ему, энергия световых волн распространяется РЅРµ как волна, РЅРѕ скорее как частица (Рйнштейн назвал ее квантом энергии), которая имеет энергию обратно пропорциональную длине волны света. Число квантов пропорционально интенсивности света. Чем интенсивней волна, тем больше квантов РѕРЅР° содержит. РљРѕРіРґР° квант света сталкивается СЃ электроном РІ металле, РѕРЅ сообщает этому электрону РІСЃСЋ СЃРІРѕСЋ энергию Рё исчезает. Рлектрон тратит часть этой энергии РЅР° то, чтобы покинуть металл, Р° остаток идет РЅР° кинетическую энергию. Рнтенсивность светового пучка, будучи пропорциональной числу квантов, РЅРµ влияет РЅР° энергию электронов, РЅРѕ определяет РёС… полное число.
Р’ РїРёСЃСЊРјРµ своему РґСЂСѓРіСѓ Конраду Хабихту (18761958) Рйнштейн писал Рѕ своей работе:
Она относится к излучению и к энергетическим характеристикам света и, как вы увидите, является очень революционной.
Несмотря РЅР° такую декларацию, РІ обсуждениях физической интерпретации закона Р’РёРЅР° Рё РїСЂРё изложении концепции квантов света, Рйнштейн РЅРµ считал, что РѕРЅ порывает СЃ традициями. Р’РІРѕРґСЏ квант света, РѕРЅ применял когерентный РїРѕРґС…РѕРґ Рє статистическим методам, относящимся Рє теории теплового излучения. Однако РѕРЅ назвал СЃРІРѕРµ введение гипотезы световых квантов революционным шагом, поскольку РѕРЅ полагал, что это противоречит электродинамике Максвелла, требующей, чтобы излучение было непрерывным потоком энергии РІ пространстве.
Чтобы понять, как Рйнштейн СЃРјРѕРі построить такую теорию как раз РІ то время, РєРѕРіРґР° Планк старался продемонстрировать, что его теория квантования осцилляторов была РЅРµ более чем уловкой для вычислений, нужно рассмотреть личностные особенности этих РґРІСѓС… ученых. РћРЅРё придерживаясь разных точек зрения. Планк был знаменитым Рё зрелым ученым, который стремился поддержать СЃРІРѕР№ престиж РІ академических кругах, Рё избегал выходить Р·Р° пределы тех научных теорий, которые были хорошо известны РІ то время. Р’СЃРµ его усилия были сконцентрированы РЅР° том, чтобы сделать СЃРІРѕРµ открытие частью объяснения, согласующегося СЃ теориями Максвелла Рё Больцмана.